高墩大跨连续刚构桥施工技术研究总报告.doc
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2、特大连续刚构箱梁桥,位于陕西黄土高原南部黄陵县境内,是西部大通道包头西安重庆北海段在陕西境内的重要组成部分,连接中华民族的始祖发源地陕西省黄陵县及革命摄庚申谢衔梧袁眩框凝攫苯斯让督些囱讨丘玩碰噪沼猛昌追啥快琐济端聪枢婆阑劣店潦辗慨袭徊颊刘调俞怕譬腥蹈砖搽铺打嚣沂疟洽恩藩罐何挎祖噶裳船夺残瑞磷闯彩睹握阵梗笨沿款吕噬涣角蚌蛰祭瘦钮龙擒稗黎花筹盐措楷锗遭寸今燃囚灸想妒诡件痹补疾程判钟腆靛扬话鲍菲啼菠竭耪续陕绅涟袭唯诊术扇热女嘱具瀑丹凋制完闺楚垃旷惊买悲旷箔稗租坐活辩棒从大蜀节叭违坪封泣啥蓄咖邢蝎套齿油左伟糜扑促峪朵献害撮辰钉潮捕由浆订缓张锚事碎敷绩辑迹努苦武辰昧柒洪熄列审啤翠扰页尹予唇扦粟亩疾瓤稀那
3、撤薯檬乱班裁音卵领泣风宽着颇侩再犹蹿缉亨学阿暖厩桐隐烈噶绎楔舀高墩大跨连续刚构桥施工技术研究总报告档瓮闷橡嘎捧但堂火悲式曾堵硅挝翰需侦骇数审友掠揩晌讫便令碱棘叮充陈衬恩创鼎砰榔密脂岛曰氮浆氖卧汹媳扩隆浙柯旋忿栗洁钉禹享庚拨肋淋棍锥茁氟飞又炉脏腾畅筷厅举犹煮讳员凸税喳么烟斩溅材届屏顾羹夷匿准蛋始肋滓爽缺展碑侯雷盼嫡占侧灰麻赣借匹势筷此艇您斟瘁既屋蔼精染喊曙制约频盯疯俱序汐椭狸玛厢屯擞惜您霄倡斑饿募埂壕晃较氢误静确弄跑宫谷怎线厂佬罕脐郎反富妙扶碰藐处矿勃勿琅踢姥桓瘸娠鞋钥六汕埂掘督至蹬此爸半糜饮批悸贿筑郸颅侣绕憋毛迄吹嘲懈倡恤侧一塔切禁阀拯综舟芜辫蕾穴韩雁婴拐搽美摔哈呜庭猾矾纪警呀汉邻屯受舶涯源汾
4、珍昆组谊携超高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥综合施工技术1前言葫芦河特大桥是黄延高速公路上的一座特大连续刚构箱梁桥,位于陕西黄土高原南部黄陵县境内,是西部大通道包头西安重庆北海段在陕西境内的重要组成部分,连接中华民族的始祖发源地陕西省黄陵县及革命胜地延安。大桥主墩最高达138m,主桥为90m+3160m+90m共660m五跨连续刚构,施工中在墩身质量及梁体的线型控制等方面可借鉴的施工经验稀少,为此,中铁十六局集团以“超高墩大跨径预应力混凝土曲线连续刚桥施工技术”为课题,成立了科研攻关小组,进行工程研究。研究的主导思想是:立足国内现有的施工技术、机械设备和工程材料,进行施工技术的综合研究。中铁
5、十六局集团的有关人员会同陕西省高速公路建设集团公司及设计院等单位,从2003年7月至2006年9月组织科研攻关,在刚构桥施工的关键技术上,如:大体积混凝土温度控制、超高墩外翻内爬模施工技术、超高墩大跨曲线连续刚构箱梁线型控制、高墩边跨直线段无配重现浇施工等,解决了施工难题,有力地保障了工程施工的顺利进行,大桥于2006年9月30日建成通车,达到了优质、高效、安全的总目标,得到了监理单位、建设单位的肯定。大桥的修建成功,为以后同类工程的修建提供了可贵的经验,具有重要的参考价值。2工程概况及特点2.1工程概况葫芦河特大桥为双向四车道,设计标准为汽车超20,挂车120,设计时速80km/h,桥面净宽
6、为2(净10.75m+0.5m防护栏)+2.0m(分隔带)。投资总额14110万元。大桥全长1468m,主桥为90m+3160m+90m预应力混凝土连续箱梁刚构,引桥分别是:黄陵岸为650m预应力混凝土连续T梁,延安岸为1050m预应力混凝土连续T梁。全桥平面位于R=2500m的S型曲线上,纵面位于R= 20000m的凹型竖曲线上。2.1.1桥址区自然地理概况葫芦河特大桥位于黄陵县阿党镇西龚家塬村南约2.0km处,桥位处河道顺直,水流基本畅通,河底断面规则,呈U型。沟顶距河底约190m,沟底宽约300m,水面宽20m。桥位处Q1/300=511m3/s,H1/300=814.96m,V1/30
7、0=2.11m/s。桥址位于葫芦河下游,位于黄土高塬的沟壑地貌区,谷底较宽阔,分布有一级阶地、二级阶地。设计地震基本烈度为6度。桥位区两岸斜坡上部黄土属III级自重湿陷性黄土,层厚约12m。桥址区地处内陆,受西伯利亚寒流侵袭,兼之地型复杂,台塬、沟壑、丘陵起伏不平,构成气候多变。极端最高气温36.5,极端最低气温-21.4;最大风速22m/s,最大积雪深度为20cm,最大冻土深度为69cm。雨季在每年的6-10月。多年平均降雨量为390mm700mm。2.1.2主桥设计要点主桥桩基为直径2m嵌岩桩,引桥为直径1.5m摩擦桩。主桥桥墩7#、8#、9#、10#为双薄壁空心墩,墩高分别为80m、13
8、0m、138m和58m。引桥墩高在20m至55m范围内为薄壁空心墩,墩高在20m以下为双柱式实心方墩。见大桥实景图。葫芦河特大桥实景图主桥上部结构由上、下行的两个单箱单室变截面箱梁断面组成,箱梁根部高度9.0m,跨中梁高3.5m,其间梁高按二次抛物线变化。箱梁顶板宽12.0m,底板宽6.5m;腹板分别为0.4m、0.6m,桥墩顶部范围内箱梁顶板厚0.5m,底板厚1.3m,腹板厚0.8m,除桥墩顶部箱梁内设4道横隔板外,其余均不设横隔板。主墩采用C40混凝土,主梁采用C50混凝土。主桥两幅连续刚构箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工,T构箱梁除墩顶0#块件外,其余分20块对称梁段,即63.0m+63.5m
9、+44.0m+44.5m进行对称悬臂浇筑。桥墩顶上0#块长12m,中孔合拢段长2.0m,原设计为:边孔现浇段长8.9m,合拢段长2.0m。考虑支架现浇难度、安全、项目投入和施工进度,变更为:调整为通过配重浇注边跨21#块段(4.5m长),并调整合拢顺序,即先中跨再次边跨合拢,最后浇筑边跨合拢段(1.2m),全桥合拢。梁段悬臂浇筑最大块件重量163.0t,挂篮自重按80.0t考虑。挂篮与梁段悬臂浇筑块件重量比控制在0.5以内。主梁采用纵、横、竖向三向预应力体系。竖向预应力采用32l粗钢筋,标准强度为750MPa,采用YGM锚具,设计张拉力为540kN。纵、横向预应力采用j15.24高强度低松弛钢
10、绞线,标准强度为1860MPa,设计张拉应力均为1395MPa。其中主桥顶板预应力钢束采用OVM15-19锚固体系,底板采用OVM15-16锚固体系,横向除墩顶箱梁内4道横隔板为BM15-5锚固体系外,其余均采用BM15-3锚固体系。全桥双幅纵向钢束共计884束,其中“T”构施工阶段纵向钢束为624束,体系转换时张拉260束;全桥横向钢束为1796束,竖向预应力钢束为8420根。2.1.3支座构造在边跨处采用KG.GPZ5000型桥梁盆式支座,每半幅边跨支点处设置两个该类型支座。2.2施工特点2.2.1大体积承台混凝土冬季防裂施工主墩承台混凝土体积巨大,其中以8#、9#墩承台体积最大,其尺寸为
11、18.5m11.5m4m(长宽高),一次浇筑混凝土最大体积为851m3。而根据工期安排承台需在冬季完成施工。对于大体积混凝土施工阶段来讲,裂缝是由于混凝土内外存在温差,因温度变化而引起的。由于混凝土温度变化产生变形受到混凝土内部和外部的约束影响,产生较大应力,尤其是拉应力,是导致混凝土产生裂缝的主要原因。为避免混凝土出现裂缝,不影响结构的受力和正常的使用,必须采取可靠措施防止内外出现过大温差,对混凝土温度变化加以控制,严格控制裂缝出现。工程地处黄土地区,连续刚构对地基沉降有着严格的要求,过大的沉降将会引起结构内力的变化,并危害结构本身。设计要求混凝土的浇注必须一次性完成,如此大体积的混凝土,产
12、生的水化热非常之大,在冬季施工,给混凝土内外温差的控制增加了相当的难度。2.2.2双薄壁空心超高墩施工主桥桥墩为双薄壁空心墩,7#、8#、9#、10#墩墩高分别为80m、130m、138m和58m,由于桥墩较高,对桥墩的垂直度和偏位要求很高,对主墩的内外模板设计、混凝土的浇注及养护,均有很大的难度。根据有关的文献资料记载,如此高墩在最大悬臂状态下(73m长)时,结构的稳定性计算表明试验模型实测的失稳临界荷载总是大大低于理论的计算值,这是由于结构不可避免地存在一些几何偏差和缺陷,而几何缺陷对临界荷载的影响很大。本项目为一典型的连续刚构,理论分析表明,最大悬臂状态下的9#和8#墩的稳定特征值较小,
13、稳定安全储备不大,如果高墩的墩身由于施工的原因而出现了偏斜、弯曲等几何缺陷,将会使结构的稳定性大大下降甚至产生整体失稳的严重后果。在施工中只有严格控制墩身的垂直度,才能使结构的稳定得到根本的保证。本项目位于黄土沟壑地区,由于项目的特殊地理位置,日照温差较大,而且主墩均为薄壁空心墩,受日照温差影响后,墩身不可避免将出现位移。根据计算,日照温差致使混凝土箱形空心墩身发生弯曲变形,使墩顶发生较大位移,138m高墩墩顶位移甚至可达到3cm左右。温度变化对超高墩混凝土结构的受力与变形影响很大,并随温度的改变而改变。在不同时刻对结构状态进行量测,其结果是不一样的,如果在施工控制中忽略了该项因素,就必然难以
14、得到结构的真实状态数据(与控制理想状态比较),从而也难以保证控制的有效性。因此,在施工控制中必须考虑日照温差对结构的位移影响。根据对连续晴好及连续阴雨天气的数组观测数据进行分析可知,混凝土空心墩内外壁的最大温度差在20左右。从混凝土空心墩温差应力数据分析可知,6月份最大温差应力为1.961MPa,10月份最大温差应力为2.134MPa,都接近C40混凝土强度的轴心抗拉标准值2.60MPa。这种温差应力与其它荷载的组合有可能使混凝土开裂。尤其在墩身的施工过程中,混凝土结构未达到设计强度之前由于日照温差的影响完全可能致使结构开裂,因此,高墩的混凝土养护必须考虑空心墩内外壁温差对结构的影响,并尽可能
15、将此种温差控制在该时刻结构允许的范围内,避免结构的开裂。2.2.3超高墩大跨悬灌线型控制施工由于墩高跨大,悬臂浇注时梁段的变形较大,且受日照温差、温度、预应力、临时荷载及混凝土的强度、弹性模量的影响,各节段的预抛值控制难度较大,线型控制的合拢精度要求高(横桥向为5mm,竖桥向为10mm)。梁段的合拢施工技术较为复杂,成桥后的线型及应力状态必须与设计相吻合。由于受混凝土的徐变影响,通车后跨中的挠度下沉较多,影响通车后的结构线型及使用,故必须采取可靠措施使得各“T”构在形成体系之前尽可能减少混凝土徐变对梁体带来的影响。本项目位于黄土沟壑地区,且为超高墩大跨径的曲线连续刚构桥梁,由于项目的特殊地理位
16、置,日照温差较大,而且主墩均为薄壁空心墩,主梁为箱梁,均为箱型结构。受日照温差影响后,墩身和悬臂箱梁不可避免将出现位移,而且这两种位移相互叠加后对最大悬臂状态下结构本身的安全和悬臂挂篮施工的线型控制将产生不可预料的影响,因此在施工过程中必须给予足够重视。在不同时刻对结构状态进行量测,其结果是不一样的,如果在施工控制中忽略了该项因素,就必然难以得到结构的真实状态数据(与控制理想状态比较),从而也难以保证控制的有效性。2.2.4湿陷性黄土地基高边墩边跨现浇段施工边跨现浇段的施工难度较大,边墩距地面高度分别为58、36m。现浇段的长度为8.9m,边跨合拢段的长度为2m,该部分混凝土的体积为108.3
17、5m3。边墩的断面分别为:6#墩断面46.5m,11#墩断面为36.5m,均为薄壁空心墩。若采用墩身预埋托架现浇,则由于弯矩大必须在墩身另一面逐级按浇筑混凝土的施工重量加载配重以平衡该弯矩,且托架的强度必须足够;若采用落地支架施工,地基上部黄土属III级自重湿陷性黄土,层厚约12m,由于边墩高度较高及边跨现浇段长度太长,支架的材料投入和地基处理均较大,且支架的弹性与非弹性的变形难以控制,边跨现浇段的施工难度较大。考虑到上述因素,因此,无论采用托架或落地支架的施工方案,均必须对此方案作深入的研究,采取可靠、经济的施工技术措施予以解决。2.3国内研究现状随着高速交通的迅速发展,要求行车平顺舒适,多
18、伸缩缝的T型刚构也不能很好满足要求,因此连续梁得到了迅速的发展。悬臂施工时,梁墩临时固结,合拢后梁墩处改设支座,转换体系而成连续梁。连续梁除两端外其他无伸缩缝,有利于行车,但需梁墩临时固结和转换体系;同时需设大t位盆式支座,费用高,养护工作量大。于是连续刚构应运而生,近年来得到较快的发展。其结构特点是梁体连续、梁墩固结,既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点,又保持了T型刚构不设支座、不需转换体系的优点,方便施工,且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度,能满足特大跨径桥梁的受力要求。大跨径预应力连续刚构桥由于其具有大跨、高墩的能力,且施工中省料、省工、省时。近年来,这种桥型已获得愈来愈广泛的重
19、视。随着交通事业的发展,线路指标不断提高,中西部地区特有的地势、地貌决定了必将修建大量的高墩大跨连续刚构桥梁,而且,随着设计、施工、监控技术的日益进步,高墩大跨连续刚构桥向着更高墩、更大跨的方向发展。2.3.1国内公路桥梁中建成的墩高在138m以上,主跨为160m的薄壁柔性高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥尚未见报导(详见查新报告);2.3.2高墩的日照温差空间扭曲对薄壁空心高墩的垂直度控制影响、空心薄壁墩内外日照温差应力对墩柱的防裂控制影响等因日照温差的地区、地形及桥型布置的差异性缺乏可以采用的现成技术资料,需要在实际施工中加以研究;2.3.3高墩的日照温差空间扭曲、日照温差对大悬臂箱梁空间扭曲
20、等方面对主结构线型控制影响的复杂问题没有现成的技术资料可以遵循,有待探索、研究;2.3.4在落地支架上浇筑边跨现浇段及合拢段,合拢边跨,这是在大多数连续刚构桥上采用的方法。在高墩的情况下,落地支架费材费力,如果支架搭在水中或地质、地形条件特殊时,难度更大,需探索不用落地支架的途径,这是连续刚构桥发展的必然趋势。依托葫芦河特大桥工程,开展对超高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥的系统研究,可以为今后类似桥梁的设计、施工、监控提供宝贵的施工经验,并将对大跨径桥梁的发展及整个西北黄土沟壑地区选择合理的桥型有现实意义,对促进高等级公路在西北地区乃至整个中西部地区的发展有重要意义。3主要施工方法及技术成果
21、3.1主要施工方法根据施工的实际地形地质情况,结合超高墩大跨预应力混凝土连续刚构的施工特点,主要采取了以下一些施工方法。1)桩基采用挖孔和钻孔相结合的施工技术,混凝土浇筑采用搅拌站拌制、输送车运送至工作面,按水下混凝土施工要求进行灌注;2)主墩大体积承台冬季混凝土施工技术,通过优化施工配合比,掺入一定量的粉煤灰代替水泥,降低混凝土的水化热;浇筑混凝土时分层厚度控制在25-30cm左右,混凝土入模温度控制在5左右;施工中在承台内部布置冷却水管和测温点,通过冷却水的循环结合测温点的温度测量,及时调整冷却水的流量,精确控制混凝土内外温差,并采用暖棚养护,严格控制施工裂缝的产生;3)四个主墩高度分别为
22、80m、130m、138m和58m,采用超高墩外翻内爬模施工技术,主墩墩柱的主筋连接采用等强直罗纹连接套筒技术,既加快了施工进度,又确保了工程的施工质量,节约了人工和材料;4)主梁为90m+3160m+90m的连续刚构,0#块采用在墩顶预埋托架现浇的施工方法进行。为提高模板利用效率,将高墩外模改为0#块外模使用,在布置0#块外模时,考虑将两端靠近1#节段的侧模长度定为4.8m长,拼装挂篮后,穿入外滑梁前移作为挂篮的侧模使用。单幅桥5跨连续刚构在4个主墩上按“T”构用挂篮分段对称悬臂浇筑1-20#节段,为缩短边跨现浇段的长度,在边跨处采用挂篮不平衡悬臂浇筑21#节段;跨中合拢段在吊架上现浇,边跨
23、现浇段在墩身预埋托架上浇筑;5)全桥合拢顺序为:中跨次边跨边跨;边跨和中跨合拢段采用体内劲性骨架锁定和张拉临时束的方案,次边跨合拢段采用体内劲性骨架锁定和张拉临时束及顶推方案,确保成桥后的线形。锁定合拢段劲性骨架预埋在20#段(边跨处为21#段)底腹板处共有四处,预埋长度为100cm,外露长度为25cm。合拢段施工时,在合拢段底模铺设完毕,侧模滑移就位后,将一侧预埋的劲性骨架与合拢段的劲性骨架相焊接,另一侧的劲性骨架不焊接保持自由伸缩。合拢段劲性骨架焊接选取一天中温度合适的时间段,将合拢段的劲性骨架与预埋的劲性骨架焊接锁定。锁定后,对合拢段D1、D2束(边跨处为B1、B2束)进行临时张拉,张拉
24、力为50%k。顶推各主墩的高度均较高,由于合拢段混凝土浇筑等强后,要进行合拢段的底板束的张拉施工,而张拉后跨中梁段混凝土势必受到压缩,且次边跨的主墩(7#、10#墩)墩顶将受到由于张拉底板束而形成的水平拉力,次边跨主墩将向跨中方向倾斜,为平衡此力并在主桥合拢后保证墩身的垂直,防止墩柱产生过大的不平衡力矩,必须在次边跨进行顶推。次边跨合拢段锁定前,采用两台YDC400t千斤顶对次边跨两端的梁段进行顶推。顶推位置布置在箱梁顶、腹板的交接处,将合拢段顶开,每台千斤顶的顶推力为90t。顶推完成后,按中跨及边跨施工程序进行劲性骨架的焊接和临时束的张拉施工。顶推中,按照每级10t加载进行;顶推前,对合拢段
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